变频器原理与应用 第3版 教案 第2章 变频器常用电力电子器件

PAGE《变频器原理及应用（第3版）》电子教案PAGE第4页共4页中等职业教育课程改革国家规划新教材《电子技术基础》电子教案 PAGE1章节课题第2章变频器常用电力电子器件（2.1～2.4）课时2教学目的1.了解功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的外形和器件符号。2.掌握功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的主要参数。3.会使用万用表检测功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的好坏和判别极性。重点难点重点：功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的主要参数。难点：使用万用表检测功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的好坏和判别极性。教学方法结合日常生活，联系实际因材施教，让学生了解电力电子器件的应用，调动学生的学习积极性。本次课老师要准备好功率二极管、晶闸管、GTO、GTR和万用表，进行课堂演示，结合实际讲解理论知识，尽可能达到好的教学效果。教具教具：功率二极管、晶闸管、GTO、GTR、万用表作业习题2-1；习题2-2：习题2-3；习题2-5课后小结功率二极管的结构是一个PN结，加正向电压导通，加反向电压截止，是不可控的单向导通器件。晶闸管是双极型电流控制器件。当对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适当正向电压时，晶闸管导通。但导通后门极失去控制作用，不能用门极控制晶闸管关断，所以它是半控器件。GTO的导通控制与晶闸管一样，但门极加负电压可使GTO关断，它是全控器件。GTR的工作原理与普通中小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态，不用于信号放大，它承受的电压和电流数值大。教学内容2.1功率二极管（D）2.2晶闸管（SCR）2.3门极可关断（GTO）晶闸管2.4功率晶体管（GTR）知识目标：1.了解功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的外形和器件符号。2.掌握功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的主要参数。技能目标：会使用万用表检测功率二极管、晶闸管、GTO、GTR的好坏和判别极性。教学内容2.1功率二极管（D）1.1.1二极管的基本特征功率二极管的结构与伏安特性1.结构功率二极管的内部是PN或PIN结构，是通过扩散工艺制作的。功率二极管引出两个极，分别称为阳极A和阴极K。2.伏安特性功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图2-2所示。正向特性：硅二极管的开启电压为0.5V左右，锗二极管的开启电压为0.1V左右。反向特性：反向截止区，反向击穿区。2.1.2主要参数1）额定正向平均电流IF2）反向重复峰值电压URRM3）正向平均电压UF教学内容2.1.3功率二极管的选用略2.1.4功率二极管的分类功率二极管一般分为三类：(1)标准或慢速恢复二极管；(2)快速恢复二极管；(3)自特基二极管。2.2晶闸管（SCR）2.2.1晶闸管的结构晶闸管是四层（Ｐ1Ｎ1Ｐ2Ｎ2）三端（Ａ、Ｋ、Ｇ）器件，其内部结构和等效电路如图2-3所示。2.2.2晶闸管的导通和阻断控制晶闸管的导通控制：在晶闸管的阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极G和阴极K间也加正向电压。使导通的晶闸管的关断，必须将阳极电流IA降低到维持电流IH以下。2.2.3晶闸管的阳极伏安特性2.2.4晶闸管的参数1.晶闸管的电压参数（1）正向断态重复峰值电压ＵDRM（2）反向重复峰值电压ＵRRM。通常将ＵDRM和ＵRRM二值中的较小者定义为晶闸管的额定电压ＵTn。（3）通态平均电压ＵT(AV)2.晶闸管的额定电流ＩT(Ａv2.2.5晶闸管的门极伏安特性及主要参数略2.2.6晶闸管触发电路1.晶闸管对触发电路的要求1）触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；2）触发脉冲与主电路电源电压必须同步；教学内容3）触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。2.触发电路的分类触发电路可按不同的方式分类，依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。2.2.7晶闸管的保护2.3门极可关断（GTO）晶闸管2.3.1GTO的结构与工作原理GTO的结构虽然也是四层三端器件，但制作工艺与晶闸管不同。2.3.2GTO的特性与主要参数1）最大可关断阳极电流ＩTGQM2）关断增益Goff2.3.3GTO的门极控制GTO的触发导通过程与普通晶闸管相似，关断则完全不同，GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出Ｐ2基区的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。2.3.4GTO的缓冲电路GTO使用时须接缓冲电路，缓冲电路的作用主要有：在GTO关断时，抑制阳极电流下降过程中所产生的尖峰阳极电压Ｕp，以降低关断损耗，防止结温升高；抑制阳极电压ＵＡk的上升率du／dt，以免关断失败；GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助于所有GTO元达到擎住电流值。因此，缓冲电路不仅对GTO具有保护作用，而且对于GTO的可靠开通和关断也具有重要意义。2.4功率晶体管（GTR）2.4.1GTR的结构2.4.2GTR的参数1)UCEO：既基极开路CE间能承受的电压。2)最大电流额定值ICM3)最大功耗额定值PCM4）开通时间ton5）关断时间ｔoff。2.4.3二次击穿现象2.4.4GTR的驱动电路2.4.5GTR的缓冲电路章节课题第2章变频器常用电力电子器件（2.5～2.8）课时2教学目的1.了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的外形和器件符号。2.掌握功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的主要参数。重点难点重点难点：功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块的主要参数。教学方法联系实际让学生了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块的应用，调动学生的学习积极性。本次课老师要准备好功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块，进行课堂演示，结合实际讲解理论知识，尽可能达到好的教学效果。教具教具：功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能率模块作业习题2-6；习题2-7：习题2-9；习题2-10课后小结功率场效应晶体管（P-MOSFET）是单极型全控器件，属于电压控制，驱动功率小。绝缘栅双极晶体管（IGBT）是复合型全控器件，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，是功率开关电源和逆变器的理想功率器件。IGCT是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的，是较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。智能功率模块（IPM）是将高速度、低功耗的IGBT，与栅极驱动器和保护电路一体化，IPM具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特点。教学内容2.5功率场效应晶体管（P-MOSFET）2.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.7集成门极换流晶闸管（IGCT）2.8智能功率模块(1PM)知识目标：1.了解功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的外形和器件符号。2.掌握功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的主要参数。技能目标：会使用万用表检测功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管、智能功率模块的好坏。教学内容2.5功率场效应晶体管（P-MOSFET）2.5.1功率场效应管的结构功率场效应晶体管的导电沟道也分为Ｎ沟道和Ｐ沟道，栅偏压为零时漏源之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（Ｎ沟道）才存在导电沟道的称为增强型。2.5.2P-MOSFET的工作原理当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，Ｐ型区和Ｎ-型漂移区之间的ＰＮ结反向，漏源之间无电流流过。如果在栅极和源极加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有栅流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面Ｐ型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的Ｐ型区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面Ｐ型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使Ｐ型半导体反型成Ｎ型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流ID。电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强。漏极电流ID越大。教学内容2.5.3P-MOSFET的特性１.转移特性２．输出特性３.开关特性2.5.4功率场效应晶体管的主要参数1）漏源击穿电压BUDS；2）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM3)栅源击穿电压BUGS4)开启电压UT5)极间电容2.5.5Ｐ-ＭＯＳＦＥＴ的栅极驱动1）触发脉冲的前后沿要陡峭，触发脉冲的电压幅值要高于器件的开启电压，以保证P-MOSFET的可靠触发导通。2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电容提供低电阻放电回路，减小栅极电容的充放电时间常数，提高P-MOSFET的开关速度。3）P-MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电流。2.5.6P-ＭＯＳＦＥＴ的保护1)工作保护;2)静电保护2.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.6.1IGBT的结构与基本工作原理从结构示意图可见，IGBT相当于以GTR为主导元件、以MOSFRT为驱动元件的达林顿结构。2.6.2IGBT的基本特性1)传输特性;2)输出特性2.6.3IGBT的主要参数1)集电极-发射极额定电压UCES；2)栅极-发射极额定电压UGES；3)额定集电极电流IC；4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat)；5)开关频率2.6.4IGBT的驱动电路1)IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.5～5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗。2)用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。IGBT开通后，栅极驱动源能提供足够的功率。3)驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4)驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。5)在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，应施加一负偏压UGE，但其受IGBT的G、E间的最大反向耐压限制，一般取-10～-1V。教学内容2.7集成门极换流晶闸管（IGCT）2.7.1IGCT的结构与工作原理2.7.2IGCT的特点（1）缓冲层；（2）透明阳极；（3）逆导技术2.8智能功率模块(IPM)2.8.11PM的结构其中包括用于于电动机制动的功率控制电路和三相逆变器各桥臂的驱动电路，还具备欠压、过流、桥臂短路及过热等保护功能。2.8.2IPM的主要特点IPM内含驱动电路，可以按最佳的IGBT驱动条件进行设定；IPM内含过流（OC